時間：2023-05-29 17:30:01
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇光電編碼器，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞 碼盤;穩定性;精度;環境適應性
中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）21-0018-02
光電編碼器具有廣闊的應用前景，其在精密機床數控、精確測角等領域發揮了巨大的作用。隨著材料科學的發展，光電編碼器碼盤材料得到了提高，從而拓寬了光電編碼器的應用領域，在惡劣、振動條件下應用范圍得到了擴展。
1 結構及工作原理
光電編碼器是一個包含光機電三大領域技術的綜合系統，由數據采集和數據處理裝置組成。
安裝時碼盤與電機同軸，當電機旋轉時，碼盤與電機就會相應的同速旋轉，經發光、接收管組成的數據采集裝置在機械位移中，轉換成若干個光電信號，經單片機邏輯處理，輸出相應脈沖。
1）主體。采用光、機、電一體，全封閉結構。外殼選擇鑄鋁成型，優點：具有強度高及防腐蝕性能好的特點，如圖1所示。
圖1 光電編碼器整體結構圖
2）碼盤。光柵盤是在一定直徑的金屬片上開通若干個等分的長方形孔，以通和不通刻線，分別代表數字量的“1”和“0”。
用玻璃碼盤或塑料碼盤，導致數據采集裝置和數據處理裝置不能可靠的接收到光信號，不能準確傳遞速度反饋信息，使調速系統的信號與實際值出現偏差，導致系統誤動作，而引發生產事故。碼盤選擇低膨脹系數的金屬片制成。優點：在高溫環境下不變形，并具有抗沖擊、抗振動能力，如圖2所示。
圖2 光電編碼器金屬碼盤
2 技術改進措施
1）獲取A、B相信號。將機械軸上的幾何位移量，轉換成數字信息量的過程，是由光電變換信號產生的，處理光電編碼器光電變換過程，是系統重要環節。
①“田”字排列光電接收器。
光敏器件是將光信息轉換成電信息（即通過光信號產生受控電信號）的器件。采用光敏器件為田字排列整體封裝，如圖3所示。
0 90
270 180
圖3 雙排布局裂相指示光柵示意圖。
田字排列的四裂相接收器，在光電編碼器應用中，稱之為四裂相讀取法，在碼盤與光源相對位移中，可以準確獲取四路各相差90°度正弦信號。其特點是：對照明不均勻有部分補充作用，可以消除軸系晃動、碼盤安裝偏心、刻劃半徑不等以及某些不對稱變形引起的數據誤差。
②安裝四相線光電接收器。
本文方法是將一個設計好光路的凸型透鏡與四相線光電接收器固定在一基座上，不采用指示光柵，克服了傳統光電編碼器的易受干擾缺點。
發光管發出的光，通過光柵經透鏡，光電接收器上直接裂相，獲取四路相差90°度的正弦信號。通過差分放大電路，變成兩路相差90°度的正弦SIN與余弦COS波形，如圖4所示。
圖4 輸出波形圖
2）獲取零位脈沖信號。傳統光電編碼器莫爾條紋通常是由兩塊光柵疊加形成的，光柵固定在主軸上隨之一起移動，指示光柵與基座固定在一起。由于光束透過光柵及指示光柵過程中，必然存在雜光，所以接收管輸出帶有不同程度的殘余電壓，也稱之為次峰，在不同環境下，會產生計數錯誤，造成零位誤差。本文是不要指示光柵，而將兩個光電接收管粘合，與基座固定在一起。發光管發出的光，通過光柵直接裂相獲取兩路相差45°的零位脈沖信號。如圖5所示。
圖5 零位脈沖信號
圖6 零位脈沖處理電路
兩個光電接收管直接獲取最大通光量，接收管輸出可達到最大量的效果，所以我們將兩路零位脈沖信號，直接用電子學進行邏輯處理，將比較器電路組合成與門邏輯關系如圖6所示。
從零位波形圖中可以看出，波形斜率在高低溫環境下，變化很小，可以準確定位起始點，同時也提高了計數精度。
3 結論
本文通過將光電編碼器的碼盤改變為金屬材質，提高了光電編碼器的環境適應性;通過獲取A、B相信號及獲取零位脈沖信號兩方面的改進提高電路的抗干擾性及穩定性。
通過本文的改進措施提高了光電編碼器的應用領域，提高了抗惡劣環境的能力。
參考文獻
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【關鍵詞】光電編碼器；MCP2510；CAN總線；TJA1050
0.引言
本文采用三星公司提供的S3C2410處理器為CPU的嵌入式系統開發板為平臺，在其外部總線上擴展CAN總線接口芯片-MCP2510。詳細闡述了光電編碼器嵌入式通訊系統在嵌入式ARM920T硬件平臺體系下CAN總線的接口設計及嵌入式Linux操作系統下CAN總線的驅動程序設計。
1.光電編碼器嵌入式通訊系統設計
光電編碼器的信號經過一系列的組件處理后，轉換成數字角度信號，通過嵌入式處理器S3C2410控制MCP2510CAN總線控制器通過TJA1050CAN總線收發器將光電編碼器的數字角度信號傳輸到控制臺中。這款通訊系統設計中，我的主要研究任務是實現該系統中MCP2510控制器與S3C2410處理器的接口設計及實現MCP2510驅動程序設計。
2.S3C2410擴展CAN總線接口
大多數嵌入式處理器都有SPI總線控制器，所以MCP2510可直接與SPI總線控制器相連，光電編碼器的串行通訊系統中，S3C2410處理器下的開發板中MCP2510組成的CAN節點接口硬件電路原理圖中，MCP2510使用3.3V電壓供電，它可以直接與S3C2410通過SPI總線（在S3C2410的 datasheet中把這個接口叫做SIO，同步串口）連接。相關的資源如下：使用一個擴展的I/O口作為片選信號，低電平有效；使用S3C2410的外部中斷6（EXINT6）作為中斷引腳，低電平有效；16MHz晶體作為輸入時鐘，MCP2510內部有振蕩電路，用晶體可直接起振；使用TJA1050作為CAN總線收發器。
3.CAN節點的軟件設計
光電編碼器的串行通信系統中，MCP2510CAN節點的軟件設計主要包括兩部分：Linux內核向ARM體系平臺的移植；CAN總線驅動程序設計：MCP2510的初始化；MCP2510發送和接受數據。
CAN總線驅動程序設計。
系統中CAN總線的數據接收和發送時兩個不同的線程。在驅動程序中建立數據發送和數據接收緩沖區。中斷處理程序只負責填充緩沖區的數據，然后喚醒等待接受數據的任務。操作系統的中斷響應時間決定了CAN總線數據的收發速度。
3.1 MCP2510的初始化
初始化MCP2510相關參數。
在Linux驅動動態加載的時候要調用初始化函數，完成以下任務：首先是軟件復位，進入配置模式；設置CAN總線波特率；關閉中斷，設置ID過濾器；切換MCP2510到正常狀態；清空接受和發送緩沖區；開啟接受緩沖區，開啟中斷。
3.2 MCP2510發送數據
這里的CAN總線發送格式有兩種：當發送的數據緩沖區大小等于結構體CanData時，發送整個CAN總線幀的數據；當發送數據緩沖區小于8字節時，作為CAN總線數據發送，驅動程序會自動為此幀數據添加默認ID，這個ID事先通過ioctl設置好。MCP2510發送數據的程序片段如下：
3.3 MCP2510接收數據
CAN總線設備的數據接收過程中，當緩沖區中有數據時，直接讀取緩沖區中的數據。對于非阻塞的情況，直接返回-EAGAIN；對于阻塞情況，通過等待隊列mcp2510dev.wq等待系統接收到CAN總線數據，程序片段如下：
4.總結
本文設計的光電編碼器的嵌入式通訊系統，主要針對該通訊系統的總線控制進行硬件接口設計與CAN總線處理器MCP2510的軟件驅動程序設計和Linux內核移植。。實驗證明，該款設計減低了系統功耗和成本、系統結構簡單、提高了系統的可靠性、并且更具有實時性。這款CAN總線接口設計也可以應用到其它控制系統的CAN總線接口設計當中。
【參考文獻】
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【關鍵詞】電動執行機構；光電傳感技術；光電編碼器；電子行程
1.引言
電動執行機構是工控領域中廣泛應用于控制閥門開啟和閉合的一種電動驅動裝置，通過遠方和就地控制信號實現對閥門的行程控制。傳統的電動執行機構控制系統中，行程部件大部分采用機械行程和限位開關來實現閥門開度的調節和限位控制，行程控制精度依賴于行程部件齒輪組的加工工藝和裝配水平，普遍存在著閥門定位精度不高的問題，而且機械式行程部件在進行閥位調試時，需要對電動執行機構進行開蓋操作，給工業現場安裝、調試及維護工作帶來極大的不便。光電編碼器是一種集光、機、電為一體的數字化位置檢測裝置，它具有分辨率高、精度高、結構簡單等優點，光電編碼器應用于電動執行機構，是一種技術上的更新與突破，實現了電動執行機構的電子行程控制方式，大大提高了電動執行機構的行程精度。
2.設計原理
2.1 電子行程部件設計原理
電動執行機構控制器的內部包含了位置信號感應裝置、力矩感應裝置、邏輯控制裝置以及數字通信模塊等控制模塊，各模塊電氣控制單元由主控制器CPU統一調用管理。如圖1所示，光電編碼器作為位置信號感應裝置部件，安裝在電動執行機構行程軸上，行程軸另一端通過齒輪聯接到蝸輪軸上，當電機開向或關向運行時，蝸桿直接帶動蝸輪旋轉，蝸輪的位移變化通過行程軸傳輸到光電編碼器端，光電編碼器完成位移信號的檢測，檢測信號再經過主控制器波形采集電路，由主控制器CPU讀取兩路脈沖信號，通過計算光電編碼器每秒種輸出的脈沖的個數，即可轉換成當前電機運行速度，此外，通過捕捉兩路相位相差900的脈沖信號，并在主控制器CPU的中斷程序里對兩路脈沖信號進行脈寬計數和脈沖波形變化判斷，可以對電動執行機構的運行速度、位移變化及旋轉方向做出判斷和處理。另外，在切除電動執行機構外部動力電源的情況下，手動旋轉電動執行機構手輪時，光電編碼器仍能保持行程計數功能，電動執行機構具備斷電閥位保持功能。
2.2 光電編碼器設計
光電編碼器作為電子行程位置感應裝置，是一種集光、電一體，將旋轉位移、速度等物理量轉換成電信號的位置速度傳感器。光電編碼器采用相對編碼計數，輸出脈沖信號采用32位CPU芯片進行處理，使得電動執行機構可以應用于多回轉、大行程的閥門裝置中，根據DL/T 641-2005《電站閥門電動執行機構》標準要求，電動執行機構行程重復偏差（多回轉）≤±50，（部分回轉）≤±10。光電編碼器中光柵盤采用低線數45線設計，根據電動執行機構的機械傳動結構，電動執行機構輸出軸旋轉一圈時，產生脈沖個數為360個，使得電動執行機構的行程控制精度保持在1°，符合標準設計要求。
光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通45個長方形孔，光電檢測裝置由直射式紅外光電傳感器電路部分組成。圓形光柵盤（如圖2所示）安裝在直射式紅外光電傳感器當中，其中光柵盤每圈設計成45個筋，45個孔，光柵盤由電機驅動旋轉，旋轉時筋孔交替切割紅外傳感器，產生兩路類似正弦波的脈沖信號，經整形電路對該波形處理，最終輸出兩路方波信號。光電編碼器安裝如圖3所示。
通過電動執行機構內部機械傳動結構，當電機開、關向運行，閥位發生變化時，光柵盤同步進行旋轉運動，光電編碼器輸出兩路正交脈沖，圖4為光電編碼器脈沖信號圖。
3.設計分析
3.1 光編信號產生電路
光電編碼器波形產生電路如圖5所示。N2為光電傳感器，采用雙光電晶體管，光束中心間距為0.7mm，它們的節距和光柵盤上的節距相等，兩組透光縫隙錯開1/4節距，使得雙光電二極管輸出的脈沖信號在相位上相差90°電度角。波形采集電路輸入端電阻R1、R2阻值大小為330Ω，傳感器負載電阻R3、R4阻值大小為1.5kΩ。在光柵盤旋轉運行過程中，光電傳感器位置固定不動，光線透過光柵盤間斷、交替的穿過雙晶體管，產生兩路相位相差90度的脈沖信號。
3.2 光編信號采集電路
波形產生電路輸出的兩路脈沖信號，需要經過整形電路進行波形整形，經過思密特雙非門整形后，在三極管Q3、Q4集電極端輸出脈沖方波。波形整形電路如圖6所示。
3.3 光編信號采集電路
光電編碼器輸出的兩路位置檢測信號，經過整形電路整形后，傳送至電動執行機構主控制器CPU端口，主CPU通過端口中斷方式，在兩路脈沖信號每次發生跳變時，會產生一次端口中斷，由CPU中斷處理程序完成一次脈沖信號的計數和方向判斷。光電編碼器結構簡單，信號穩定，數據處理比較容易，但由于在主電源斷電情況下，需要電池供電保持閥位計數，一旦電池電壓過低或無法供電，電動執行機構閥位容易丟失，給現場生產運行帶來不便。所以在光編信號采集電路中設計了電池省電方式，當主電源停止供電時，主CPU自動切換至低功耗工作方式，同時關閉光電編碼器供電電源，為保證主電源斷電過程中閥位計數功能，采用20mS定時喚醒方式，每隔20mS打開一次光電編碼器電源開關，判斷閥位是否發生變化。圖7為光編信號采集電路，在正常運行狀態下，BMQ_C引腳輸出低電平，三極管Q102導通，V9XX為光電編碼器供電，當主電源停止供電時BMQ_C引腳輸出高電平，三極管Q102關閉，光電編碼器供電電源斷開，進入省電模式。
在光編信號采集電路中，主控制CPU通過采集兩路脈沖信號，經過數據分析和方向判斷，計算出當前閥位狀態，然后通過串行總線，將閥位數據傳送至人機對話模塊，通過人機界面顯示出當前閥位狀態。
4.應用分析
4.1 應用中出現的問題
電動執行機構輸出軸轉速范圍一般為5r/m至160r/m。不同規格型號的電動執行機構，其轉速相差較大，對于高轉速型電動執行機構，由于輸出軸輸出速度較快，從而使光電編碼器的光柵盤隨之高速旋轉，使得光電編碼器輸出的波形受到雙二極管通斷速度的影響，波形變為不理想的脈沖方波，導致光電編碼器在高速運行時出現性能不穩定情況。
4.2 問題分析
為解決此故障現象，需從光電編碼器電路設計上進行原理分析。圖8、圖9、圖10為不同條件下（波形產生電路R3、R4阻值變化）的波形采集圖。
由以上采集波形可以看出，光電編碼器輸出端信號的下降沿隨著信號產生電路上R3、R4阻值的增大變得越來越平緩，經過雙非門U1整形后，光電編碼器輸出端波形的高電平寬度變寬，低電平寬度變窄，這是因為在5V供電條件下，雙非門U1的高電平門檻電壓VT+約為3V，低電平門檻電壓VT-約為1.7V，如圖11雙非門工作原理圖所示，所以當光電編碼器輸出端信號的下降沿越來越平緩時，電壓下降時間也隨之增加，雙非門U1的輸出端信號的低電平時間會變長，即低電平寬度變寬，高電平寬度變窄，雙非門U1的輸出端信號還要經過一個三極管反向后輸出到光電編碼器輸出端，所以，此時編碼器輸出端信號的高電平寬度就變寬，低電平寬度就變窄了，受此影響，光電編碼器兩路輸出信號形成的相交脈沖信號也比較窄，這樣就很容易造成光編信號采集端信號采集困難或造成脈沖信號丟失，其次，從圖中數據分析，當R3=R4=5.1K時，相交脈沖信號間隔時間大約為50us，此時光柵盤轉速約為1875r/m，當轉速達到2500r/m甚至更高時，間隔時間更短，從而影響CPU中斷讀取時間，造成數據丟失。由此分析，傳感器輸出端電阻R3、R4阻值取值不能太大。
另外，根據電路分析及采集信號圖，光電編碼器器輸出端信號的電壓峰值隨著R3、R4阻值的減小而變小，由圖8可以看到，當R3=1K，R4=1K時，VR3、VR4約為4.1V，而從實驗過程中發現，R3=1K，R4=1K時，VR3、VR4有時不能達到2.7V，即達不到雙非門U1的門檻電壓VT+，所以會造成光電編碼器沒有信號輸出，在同樣的條件下之所以會出現兩種不同的結果，是因為器件的離散性造成的，因為從上述波形圖中可以看出，傳感器的輸出信號為模擬信號，所以傳感器的輸出效果跟器件本身有很大的關系，即同一器件在同一條件下有可能產生不同的模擬信號，從雙非門U1輸出端的信號就會隨之變化，如果相差較大，那么得到的結果也會有較大區別。由此分析，傳感器輸出端電阻R3、R4阻值取值也不能太小。另外在圖9、圖10中可以觀察到，當R3=2.2K，R4=2.2K時，VR3、VR4約為4.4V，R3、R4取值大于2.2K時，VR3、VR4也都約為4.5V。
綜合分析考慮，為適應高速型電動執行機構和不同的電源供電方式（5VDC、3.3.VDC），光電編碼器信號產生電路R3、R4阻值大小設置為1.5K較為合適。
5.結論
通過采用光電編碼器作為電動執行機構行程檢測部件，使電動執行機構實現了電子式行程設計，提高了閥門行程精度和閥位分辨率，實現了閥門的精確定位，有效的簡化了電動執行機構的調試過程，提高了現場調試效率，方便了現場維護，適應了現代工業技術水平高速發展的要求。
參考文獻
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【關鍵詞】 煤礦 DSP 光電編碼器 電機 速度檢測
近年來，隨著我國推進小煤礦的資源整合與兼并重組工作，加快礦井的機械化改造步伐，有力的提升了煤礦安全生產保障水平，極大的促進了煤礦安全生產形勢的好轉。但煤礦兼并重組、整合技改工作地區間進展不平衡，部分整合技改煤礦違規生產或以整合技改名義逃避關閉。煤礦兼并重組、整合技改過程中隱患大量存在，瓦斯等可可燃性氣體遇到火花容易引起爆炸，安全生產事故時有發生。煤礦安全生產形勢對井下輸變電和生產設備性能提出更嚴格的要求，尤其是提升運輸和搶險救援設備。礦用隔爆型電機是煤礦井下提升運輸、采掘和搶險救援的動力來源，開展礦用隔爆型電機運行速度檢測技術的研究，對于提升煤礦設備的可靠性、排除安全隱患、減小生產事故發生和保障人民生命財產安全具有重要的意義。
一、數字信號處理器
從TI公司在1982-1983年推出TMS系列數字信號處理器（DSP）第一代產品到今天的TMS320C2000/5000/6000產品系列，TI公司的DSP的處理速度不斷提高、結構更加合理、性能更加優越，DSP系統的開發環境也不斷完善。TMS320C2000系列DSP集成微控制器和高性能DSP的特點，整合了Flash存儲器、事件管理器、增強型CAN模塊、快速的A/D轉換器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等外設，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法。在281x DSP上有兩個事件管理器EVA和EVB，它們是數字電機控制時使用較多的重要外設，能夠實現機電設備控制的各種功能。
每個事件管理器中包括定時器、比較器、PWM邏輯電路、捕捉單元正交編碼脈沖電路及中斷邏輯電路，省去了外部死區控制邏輯和外部速度/定位傳感器邏輯，降低了CPU的開銷，提高了系統的可靠性。
二、光電編碼器
光電編碼器是利用光電轉換原理將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤上等分若干長方形小孔，檢測系統中光電盤與被檢測物同軸，被檢測物旋轉代動光電盤同速旋轉，經過發光二極管等電子元器件組成的檢測裝置檢測若干脈沖信號，通過計算光電編碼器每秒輸出的脈沖數就能反映當前電機的轉速。
另外，光電編碼器提供相位相差90°的兩個通道信號輸出，系統可以根據雙通道光碼狀態的變化來判斷電機的轉向。根據刻度方法及信號輸出形式，光電編碼器分為增量式、絕對式和混合式三種。
系統選用歐姆龍公司生產的E6B2-CWZ3E型光電編碼器作為礦用隔爆型電機速度和方向檢測器件，該傳感器利用光電轉換原理輸出A、B和Z相三路方波脈沖信號。A相、B相兩路信號之間互差90°，用來檢測電機的速度和方向。該傳感器具體參數如表1所示。
三、DSP與編碼器接口電路
DSP芯片的每個事件管理器模塊都有一個正交編碼脈沖（QEP）電路，當QEP電路被使能時， DSP可以對CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（對于EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（對于EVB）引腳上的正交編碼脈沖進行解碼和計數。QEP電路可以用于連接光電編碼器，獲得礦用隔爆型電機的旋轉方向和速度信息。
在使能QEP電路時，CAP1/CAP2和CAP4/CAP5引腳的捕捉功能被禁止。QEP單元通過信號轉換單元與安裝在電機主軸上的增量式光電編碼器相連接，DSP對正交編碼脈沖信號進行譯碼和計數，通過中斷程序實現對礦用隔爆型電機速度、向等參數的計算和存儲。
光電編碼器輸出信號為5V的方波信號，而DSP可接收的電壓最大為3.3V，所以需要設計信號轉換電路將5V的方波信號轉換成DSP可接收的信號。5V方波信號經過電容濾除雜波和快速光耦6N137隔離，在通過雙電壓比較器LM393轉換成DSP可以接收的脈沖信號。LM393比較器的參考電壓為1.8V，當輸入端電壓大于比較器參考電壓時，比較器輸出高電平。
5V穩壓電源經過輸出電壓可調的集成三端穩壓器LM317轉換后為比較器提供工作電源，比較器輸出DSP可識別的脈沖信號，信號轉換電路如圖1所示。
四、結論
結合我國煤礦安全生產現狀，將DSP和光電編碼器有機結合在一起，設計礦用隔爆型電機速度檢測系統。光電編碼器經過信號轉換電路傳遞給DSP的正交編碼脈沖單元，DSP根據雙脈沖的先后順序和脈沖頻率經過內部處理可以得到電機的方向和速度。
檢測系統結構簡單、可靠性很高、實時性好，能夠實現礦用隔爆型電機速度實時檢測，滿足預期設計要求。
參 考 文 獻
[1] 國家安全監管總局 國家煤礦安監局.關于進一步加強煤礦安全監管監察工作的通知.〔2012〕130號.
[2] 李劍峰.高可靠性可編程水泵監控系統[J].煤礦機械，2009，（11）：127.
圖1中的系統是傳統的帶PID調節的直流伺服速度控制系統。對于控制精度較低的產品雖能滿足要求。但對于精度要求高的場合就不能適應了。這是因為：當電機運轉一段時間后，電機溫度隨著工作時間加長而不斷上升，而反饋元件（測速發電機）與伺服電機同軸連接，故測速發電機的溫度也隨之升高。因為測速發電機是用永磁磁缸制成，其轉子線圈切割磁力線而產生電勢，其值為：
Ea=εa∝N
式中Ea為測速機輸出電勢
εa為測速機電勢常數
N為電機轉速
一般情況下，εa是個常數，測速發電機產生的電勢Ea正比于轉速N。而實際上電機溫度上升后εa已經發生了變化，通常情況下是下降的，εa變小，故Ea也變小。而此時電機轉速并未下降，反饋到速度環的電壓Δu隨之上升，促使電機轉速上升，迫使Ea上升，從而達到Δu維持不變。這樣，隨著電機溫度上升，電機的速度也慢慢上升，而給定值并未改變，這就引起電機轉速的誤差增大。根據實際測量一般電機溫度每上升100℃，電機轉速的誤差會增大1－3%左右。電機轉速越低，相對誤差越大。
為了糾正電機轉速的偏差，采用600線/轉的光電編碼器作反饋元件，與電機同軸安裝，就可以準確測出電機的轉速。因為光電編碼器是由激光照射光珊發出脈沖的，而光珊安裝在光電編碼器的轉軸上，轉軸每轉一周（3600）編碼器就產生600個脈沖，該脈沖只與轉軸速度有關，而與溫度無關。因此，只要準確測出光電編碼器的脈沖個數，就可確切知道電機的轉速。
例如，當電機的轉速ND=1000轉/分，則每秒鐘光電編碼器的脈沖個數應為
n光=1000*600/60
=10000（個脈沖）
若
ND=1轉/分
n光=1*600/60=10（個）
如果實際測量值與上述理論計算值有偏差，則可以通過調節D/A輸出電壓調整電機的轉速，最終使
Δn=ND測-ND理
這樣就可以將電機的轉速控制在我們所希望的誤差范圍內。
2元器件的選擇；
2．1伺服系統（速度環）選用SC5HC60型直流脈寬伺服系統，調速范圍可達1：10000以上，速度精度為0.5%FS。
2．2電機選用稀土直流寬調速伺服測速機組,與伺服系統構成速度閉環系統。
2．3D/A器件選用分辨率為16位串行D/A。控制線為三線串行方式，即：一根時鐘線，一根數據線，一根選通線。
2．4光電編碼器每轉輸出600個脈沖，五線制。其中兩根為電源線，三根為脈沖線(A、B、Z)。電源的工作電壓為+5～+24V直流電源。
工作原理:當光電編碼器的軸轉動時A、B兩根線都產生脈沖輸出,A、B兩相脈沖相差900相位角，由此可測出光電編碼器轉動方向與電機轉速。如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉,否則為反轉.Z線為零脈沖線,光電編碼器每轉一圈產生一個脈沖.主要用作計數。A線用來測量脈沖個數,B線與A線配合可測量出轉動方向.
2．5單片機選用89C51-24PC單片機，晶振頻率為24MHz，用一個定時器作計數器來測量光電編碼器的脈沖個數，另一個定時器精確定時，這樣可準確測出電機每秒鐘轉動的距離，同時根據設定值計算出電機每秒鐘應轉動的理論值并與測量值進行比較,將誤差值轉換成數字量輸出到D/A芯片的輸入端，從而改變其電壓輸出，送給伺服系統控制電機的轉速,從而達到恒速的目的。
例如:要將電機控制在500轉/分,根據伺服系統的指標,當輸入為0～5V信號時,電機轉速為1500轉/分,故可求得當ND=500轉/分時，光碼盤每秒鐘輸出的脈沖數為：
PD=500×600/60=5000個脈沖
對應該轉速伺服系統的輸入電壓應為：
VD=5.000×500/1500=1.6666V
當測出的脈沖個數與計算出的標準值有偏差時,可根據電壓與脈沖個數的對應關系計算出輸出給伺服系統的增量電壓U:
U=P×5.000/(1500×600/60)=P/3000(V)
而輸出到D/A的數字量的增量應為:
D=U×216/5.000
電機的整個工作調節過程如下:
工作前通過鍵盤設定控制轉速,計算出輸出電壓VD并將該電壓對應的輸出到D/A的數字量V數=VD×216/5.000算出,直接送給D/A,電機開始起動運轉。當電機運轉一段時間后電機轉速不斷上升從而導致測速機磁性下降，測速機輸出電勢下降，經速度環調整后使電機轉速上升，運行時間越長，電機轉速上升越多。這時系統起動位置環，通過不斷測量光電編碼器每秒鐘輸出的脈沖個數，并與標準值PD進行比較，計算出增量P并將之轉換成對應的D/A輸出數字量，在原來輸出電壓的基礎上減去增量，迫使電機轉速降下來，當測出的P近似為零時停止調節，這樣可將電機轉速始終控制在允許的范圍內。
3硬件電路的實現
實際工作中由于伺服系
統工作電流較大，對于微機干擾較大，故在硬件電路設計時應考慮到系統的隔離和干擾問題。由于選用的是串行D/A。信號的傳輸只用三根線，故采取隔離措施相對容易些。而光電編碼器工作也容易受到干擾，因此除了正常的接地外，還要將光電編碼器輸出線中的地線可靠接地。光電編碼器的A線做脈沖檢測用，Z線作計數器用，速度輸入用鍵盤輸入數字，顯示用液晶顯示器。
4軟件
根據電路的連接情況，采用匯編語言編寫了整個程序。現將部分闡述如下：
4．1初始化
初始化內容包括定時器、中斷系統及個單元內容的初始化
HSTART:MOVSP,#0E0H;設置堆棧頂地址
MOVIE,#90H；開中斷及串行口中斷允許
MOVIP,#5；將定時器1和串口中斷設置高優先權
MOVTCON,#5;外中斷0和外中斷1全部為邊沿觸發方式
MOVTMOD,#21H;定時器0為方式1定時器2為方式2
MOVPCON,#0；SMOD=0
MOVSCON,#0D8H;串口設置成方式3,TB8=1,REN=1
MOVTH1,#0FDH;設定定時器1重裝時間常數
MOVTL1,#0FDH
CLRET1
SETBREN
SETBES
MOVTH0,#2CH
MOVTL0,#0
SETBTR0
SETBTR1
……
4．2定時器0中斷子程序
CLOCK0:CLRET0;保護現場指令
MOVTH0,#2CH;重置時間常數
MOVTL0,#0
INCQSE0
MOVA,#14H;判別1秒鐘定時到否
CJNEA,QSE0,HCLZ
MOVQSE0,#0;計數器清零
MOVA,QSEC
ADDA,#1;秒單元加1
DAA
MOVQSEC,A
MOVA,#5
CJNEA,QSEC,HCLZ;判5秒鐘到否
MOVQSEC,#0;秒單元清零
CLREX0;關中斷0停止計數
HCLZ:恢復現場指令
SETBET0
RETI;中斷返回
4．3中斷0計數程序
POST1:CLREX0
保護現場指令
MOVA,QLLD;計數器低位加1
ADDA,#1
MOVQLLD,A
MOVA,QLLD+1
ADDCA,#0
MOVQLLD+1,A
恢復現場指令
SETBEX0
RETI
【關鍵詞】編碼器；應用；定標
1 絕對式編碼器簡介
光電編碼器是集光、機、電技術于一體的數字化傳感器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，其可以高精度測量被測物的轉角或直線位移量。按測量方式可分為：旋轉編碼器和直尺編碼器。按編碼方式可分為：絕對式編碼器、增量式編碼器、混合式編碼器。
絕對式旋轉編碼器用光信號掃描分度盤（分度盤與傳動軸相聯）上的格雷碼刻度盤以確定被測物的絕對位置值，在它的圓形分度盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數，在分度盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。這種編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。絕對式編碼器是利用自然二進制或循環二進制（葛萊碼）方式進行光電轉換的。它的特點是：1.在一個檢測周期內對不同的角度有不同的格雷碼編碼，因此編碼器輸出的位置數據是唯一的；2.沒有累積誤差；3.電源切除后位置信息不會丟失。
2 絕對式編碼器應用舉例
絕對式編碼器在鋼鐵冶煉中被大量使用，通常用作轉爐氧槍槍位測定、鋼包車位置測定等。以轉爐氧槍槍位測定為例，使用一個25位并行輸出型絕對式編碼器于升降電機相連，通過對編碼器輸出值的換算比較，實現對槍位的確定與升降控制。
實現方法如下：25位并行輸出型絕式值編碼器輸出信號為25位二進制碼，通過25個開關量輸入點與PLC相連。在PLC中通過二進制――十進制換算，編碼器實際輸出范圍為0～226-1。編碼器與PLC也可以通過Profibus、DriverNet等總線進行通訊，直接讀取編碼器數據。通過總線進行通訊可實現更多功能，如對編碼器值復位或賦值。但對設備現場環境有一定要求，如現場環境較差，如存在較大電磁干擾、高溫問題，因總線故障排查難度大，故此總線通訊方式不作推薦。
假設該編碼器在實際使用中，始終正向旋轉（即編碼器的值由0向226-1變化的方向），其輸出值與轉動圈數的關系如圖1。通過對槍位與編碼器值的標定，便可對槍位進行控制。在初次使用時，需根據現場實際槍位，結合編碼器輸出值對槍位進行一次調校并修改PLC程序中相關參數，已完成PLC程序內的編碼器值與槍位的對應。故此，在日后檢修維護過程中，如更換編碼器，則需要再一次進行槍位調校。
調校方法及原理如下：
（1）與機械、電器安裝人員確定設備安裝到位，并觀察編碼器輸出值，確認輸出值的第24位于25位的值相與為0。在調校之前，確定編碼器輸出值在該范圍中段附近，其目的是為避開因編碼器值由0至226-1或226-1至0的變化造成的槍位跳變。雖25位絕對值編碼器的輸出范圍足夠大且能夠滿足對頂槍升降范圍標定的需求，但如安裝初期不注意該問題，依然會為日后的正常生產埋下隱患。
【關鍵詞】LPC2114；DMOS LMD18245；智能檢測；同步控制
1.引言
隨著計算機技術的日益普及，計算機輔助評片系統愈來愈受檢測人的青睞。針對膠片的氣孔缺陷，做計算機輔助評片，并進行自動分級。為了保證缺陷智能檢測中線陣CCD相機對膠片的數字化處理準確無失真，本文設計采用ARM處理器LPC2114為核心，光電編碼器接入電路，電機驅動選用LMD18245芯片，驅動步進電機控制掃描機構的運動速度與線陣CCD線頻率的匹配，從而確保工業膠片數字化和同步只能檢測的準確無誤，為未來工業射線檢測提供重要保障和技術支持。
2.系統總體設計
本設計采用LPC2114作為集成控制芯片，增量式光電編碼器作為采集啟動信號，接收到由增量式編碼器發出的A、B相信號，再由LPC2114對步進電機驅動器發脈沖信號，利用脈沖計數方式控制電機驅動器，再用電機驅動器帶動電機進行加工。增量式編碼器在轉動時，可連續輸出與旋轉角度對應的脈沖數，靜止狀態不輸出脈沖。計算其步進電機的轉速，利用步進電機細分驅動和PID控制算法調整傳動機構的速度，最終實現對步進電機的精確控制，電機同步系統框圖如圖1所示。
圖1 電機同步系統框圖
Fig.1 Motor synchronization system block diagram
3.硬件電路設計
步進電機總體控制設計采用兩相四線的步進電機，ARM控制器給步進電機驅動器一個脈沖信號和方向信號，并利用驅動電路中的細分功能，經過功率放大和環形分配器，驅使步進電機繞組精確運轉，采用細分控制電路，能夠降低工作噪音，減少震動，消除步進電機的低頻共振，改善步進電機工作的旋轉位移分辨率。
3.1 光電編碼器
光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉子的磁場位置和機械位置以及轉子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向?？梢岳枚〞r器/計數器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉速。其測速原理是在規定的檢測時間Tc內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數的測速方法。
設在時間T內，轉軸轉過的弧度數為Xτ，則轉速n可由下式表示：
3.2 步進電機驅動及細分電路
驅動電路選用兩片LMD18245作為步進電機驅動芯片，用來驅動兩相四線步進電機，它與LPC2114主要硬件控制連接圖如圖2所示：
圖2 LMD18245與LPC2114硬件連接圖
Fig.2 LMD18245 and LPC2114
hardware connection diagram
步進電機必須有驅動器和控制器才能正常工作，驅動器的作用是對控制脈沖進行功率放大，環形分配，為了更加精確有效的控制步進電機，改善步進電機工作的旋轉位移分辨率，步進電機驅動采用細分功能，LMD18245采用TO-220封裝，電源電壓12V供電，固有步距腳1.8°，電機齒數50W，DIRECTION為方向邏輯輸入引腳。邏輯控制功能，BRAKE為急停信號，為D/A轉換器的參考電壓，設置為5V，M1-M4為D/A轉換器的二進制數字輸入端，可以改變細分數，此設計采用4細分驅動，因此細分后步距角=電機固有步距角/細分數，其步距角為1.8o/4=0.45o，也就相當于每來一個脈沖走0.45o，當細分等級大于1/4后，電機的定位精度并不能提高，只是電機轉動更平穩。通過對步進電機的精確，平穩控制，可以使其和線陣CCD相機的采集頻率表相互匹配最終達到精確檢測的目的。
4.軟件設計
控制系統軟件主要由六部分，分別為主控程序，增量式PID速度控制程序，串口收發程序，外部中斷程序，位移，速度計算程序，步進電機正反控制程序。設計流程圖如圖3所示。
圖3 同步檢測設計系統設計流程圖
步進電機上電初始化后，對膠片位移和速度進行測量和計算，并利用增量式PID控制步進電機的移動速度，串口進行對電機方向，目標位置，PID參數的設定，當膠片開始移動后，控制器將對編碼器進行計數進行位移計算和速度計算，并調用PID算法：
?PreU=Ka×[（Derror+beta×Kb×e_k+Kc×PreDerror） ]
計算誤差，更新電機轉速的輸出值，為了使線陣CCD線頻率與掃描機構的運動速度相匹配，已知步進電機步距角T，細分數N，頻率f，可以計算得到步進電機的轉速：
進而轉化為，線陣CCD的線頻率，其中L為每個CCD像素的成像代表物面上的尺寸。從而更新膠片相對于CCD鏡頭的位置進行成像，最終實現對X膠片的數字化精確采集。
5.結束語
本文基于鋼管焊縫缺陷智能檢測技術，設計了基于ARM7的底片數字化儀電機同步系統，通過利用驅動細分技術對步進電機轉速的控制，使線陣CCD相機的掃描速率和膠片傳動機構速率相匹配，實踐證明，采用以上設計方法可以更加精細的調整CCD鏡頭，最終可以獲得更加準確，清晰的數字化圖像。
參考文獻
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【關鍵詞】檢測元件；伺服系統；反饋信號；感應同步器
檢測元件是數控機床伺服系統的重要組成部分，它起著檢測各控制軸的位移和速度的作用，它把檢測到的信號回反饋控制系統，構成閉環系統。測量方式可分為直接測量和間接測量：直接測量就是直接對機床的直線位移測量，常用的檢測元件一般包括：直線感應同步器、計量光柵、磁尺激光干涉儀。間接測量就是對引起機床的直線位移的回轉型元件的間接測量，它常用的檢測元件一般包括：脈沖編碼器、旋轉變壓器、圓感應同步器、圓光柵和圓磁柵。因此檢測元件的工作狀態影響著進給的準確性和穩定性。
常見的檢測元件的故障有以下幾種情況：
1.加／減速時機床震動
（1）脈沖編碼器出現故障，此時檢查速度單元上的反饋線端子電壓是否在某幾點電壓下降，如有下降表明脈沖編碼器不良，更換編碼器。
（2）脈沖編碼器十字聯軸節可能損壞，導致軸轉速與檢測到的速度不同步，更換聯軸節。
（3）測速發電機出現故障，修復，更換測速機。
2.飛車
在檢查位置控制單元和速度控制單元的情況下，應檢查：
（1）脈沖編碼器接線是否錯誤，檢查編碼器接線是否為正反饋，A相和B相是否接反。
（2）脈沖編碼器聯軸節是否損壞，更換聯軸節。
（3）檢查測速發電機端子是否接反和勵磁信號線是否接錯。
3.主軸不能定向或定向不到位
在檢查定向控制電路設置和調整，檢查定向板，主軸控制印刷電路板調整的同時，應檢查位置檢測器（編碼器）是否不良。
4.坐標軸振動進給
在檢查電動機線圈是否短路，機械進給絲杠同電機的連接是否良好，檢查整個伺服系統是否穩定的情況下，檢查脈沖編碼是否良好、聯軸節聯接是否平穩可靠、測速機是否可靠。
5.NC報警中因程序錯誤，操作錯誤引起的報警
如FAUNUC 6ME系統的NC報警090.091。出現NC報警，有可能是主電路故障和進給速度太低引起。同時，還有可能是：
（1）脈沖編碼器不良。
（2）脈沖編碼器電源電壓太低，（此時調整電源電壓的15V，使主電路板的＋5V端子上的電壓值在4.95—5.10V內）。
（3）沒有輸入脈沖編碼器的一轉信號而不能正常執行參考點返回。
6.伺服系統的報警號
如FAUNUC 6ME系統的伺服報警：416、426、436、446、456；SIEMENS 880系統的伺服報警：1364；SIEMENS 8系統的伺服報警：114、104等。當出現如上報警號時，有可能是：
（1）軸脈沖編碼器反饋信號斷線，短路和信號丟失，用示波器測A相、B相一轉信號。
（2）編碼器內部受到污染、太臟、信號無法正確接收。
我實訓工廠現有數控設備80臺套，其中，西門子880系統加工中心6臺，數控切割機四臺，FAUNUC 6ME系統數控車床16臺，西門子8系統數控銑16臺套，使用過程中檢測元件出現的故障占了很大比例：下面就幾具典型故障作一個分析。
故障一：檢測信號線折斷，導致控制軸運行故障。
故障現象：友嘉精機FANUC-18M數控系統的加工中心有一次正在工作過程中，機床突然停止運行，CRT出現NC報警104，關斷電源重新起動，報警消除，機床恢復正常，然而工作不久，又出現上述故障，如此反復。
故障分析及解決：查詢NC 1O4報警，內容為：X軸測量閉環電纜折斷短路，信號丟失，不正確的門檻信號不正確的頻率信號，本機床的X、Y、Z三軸采用光柵尺對機床位移進行位置檢測，進行反饋控制形成一個閉環系統。
根據故障現象和報警，我們先檢查讀數頭和光柵尺，光柵尺密封良好，里面潔凈，讀數頭和光柵尺沒有受到油污和灰塵污染，并且讀數頭和光柵尺正常，隨后我們又檢查差動放大器和測量線路板，經檢查未發現不良現象，經過這些工作后，我們把重點放在反饋電纜上，測量反饋端子，發現13號線電壓不穩，停電后測量13號線，發現有較大電阻，經仔細檢查，發現此線在X向隨導軌運動的一段有一處將要折斷，似接非接，造成反饋值不穩，偏離其實際值，導致電機失步，經對斷線重新接線，起動機床，故障消除。
故障二：感應光電盤損傷導致加工件加工尺寸誤差。
故障現象：友嘉精機FANUC-18M數控系統的加工中心X向切削零件時尺寸出現誤差，達到0.30mm/250mm，CRT無報警顯示。
故障解決：本機床的X、Z軸為伺服單元控制直流伺服電機驅動，用光電脈沖編碼器作為位置檢測，據分析造成加工尺寸誤差的原因一般為：（1）X向滾珠絲杠與絲母副存在比較大的間隙或電機與絲杠相連接的軸承受損，導致實行行程與檢測到的尺寸出現誤差；（2）測量電路不良。根據上述分析，經檢查發現絲杠與絲母間隙正常，軸承也無不良現象，測量電路的電纜連線和接頭良好，最后我們用示波器檢查編碼器的檢測信號，波形不正常。于是我們拆下編碼器，打開其外殼，發現光電盤不透光部分不知什么原因出現三個透明點致使檢測信號出現誤差，更換編碼器，問題解決，因為FAUNUC 6ME系統的自診斷功能不是特別強，因此在出現這樣的故障時，機床不停機，也無NC報警顯示：還有幾次因檢測元件不良造成的設備故障，在此就不一一列述。
檢測元件是一種極其精密和容易受損的器件，一定要從下面幾個方面注意，進行正確的使用和維護保養。
（1）不能受到強烈振動和摩擦以免損傷代碼板，不能受到灰塵油污的污染，以免影響正常信號的輸出。
（2）工作環境周圍溫度不能超標，額定電源電壓一定要滿足，以便于集成電路片子的正常工作。
（3）要保證反饋線電阻，電容的正常，保證正常信號的傳輸。
（4）防止外部電源、噪聲干擾，要保證屏蔽良好，以免影響反饋信號。
關鍵詞： 光電編碼器； PID控制； 簡易旋轉倒立擺； 全國大學生電子設計競賽
中圖分類號： TP29?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0160?03
Design of simple inverted pendulum control device based on STC89C52
TANG yan
（Yinchuan Energy Institute， Yinchuan 750105， China）
Abstract： Taking National Undergraduate Electronic Design Contest as a background， an inverted pendulum control system based on single chip microcomputer taking as the main control chip was designed and manufactured by analyzing the tasks and basic requirements of simple rotary inverted pendulum and its control system. PID is used to control and adjust the feedback signal emitted from photoelectric encoder， and send control signal to drive DC motor， so as to achieve speed control. The device can make the rotating arm swing timely， and make the swing bar meet the subject requirements in a short period of time.
Keywords： single chip microcomputer； photoelectric encoder； PID control； simple rotary inverted pendulum； National Undergraduate Electronic Design Contest
0 引 言
在全國大學生電子設計競賽中，簡易倒立擺的控制裝置設計具有非常典型的意義，由于其運動特性與日常所見到的各種重心高，支點低的物體穩定問題，及雙足步行機器人關節運動等有很大的相似性，因此，對其的研究也一直受到國內外學者的廣泛關注[1]。本文采用AT89C52單片機設計的簡易旋轉倒立擺控制系統，機械裝置構造簡單、工作可靠、價格低、體積小，是研究控制理論較理想的控制裝置，其控制具有高階次，不穩定、多變量、非線性和強耦合等特性。
1 旋轉倒立擺裝置的設計
1.1 機械結構設計
旋轉倒立擺的結構如圖1所示。電動機A固定在支架B上，通過轉軸F驅動旋轉臂C旋轉。擺桿E通過轉軸D固定在旋轉臂C的一端，當旋轉臂C在電動機A驅動下作往復旋轉運動時，帶動擺桿E在垂直于旋轉臂C的平面作自由旋轉。
圖1 旋轉倒立擺結構示意圖
由旋轉倒立擺的結構示意圖，選擇做了金屬框架，按照示意圖所示，安裝了簡易的倒立擺，由它來完成目標控制任務。實物如圖2所示。
圖2 旋轉倒立擺裝置
1.2 控制電路設計
在控制電路的設計中，最終確定了以STC89C52單片機為控制核心，采用型號為YH42BYGH47?401A的步進電機控制倒立擺擺動，用增量式編碼器來測量倒立擺擺動過程中的擺幅，將光電編碼器傳回來的擺桿角度數字信息經過單片機處理后，適時、準確地控制步進電機啟動的時刻，以此達到倒立擺的控制。
設計的系統的總體結構框圖如圖3所示。
圖3 系統方框圖
1.2.1 驅動模塊
本設計采用L298N模塊給步進電機供電。L298N可直接對步進電機進行控制，不需隔離電路。它通過改變控制端的電平來對步進電機進行啟停，非常方便，亦能滿足控制擺桿需求。
1.2.2 角度傳感器模塊
本設計采用光電編碼器測量擺桿的旋轉角度并反饋回給單片機，它是集成光?機?電為一體的數字測角裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量送給單片機，能直接被單片機識別，不另外需要A/D轉換器，具有體積小，精度高，工作可靠，接口數字化等優點。
增量式光電編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A，B和Z相；A，B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位[2]。
它的特點是具有簡單的原理構造，機械平均工作時間可以達幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性、穩定性高，主要適合于長距離傳輸。
編碼器輸出的A相脈沖接到單片機的外部中斷INTO，B相脈沖接到I/O端P1.0，如圖4所示。
當系統工作時，首先要把INTO設置成下降沿觸發，并開相應中斷。當有效脈沖觸發中斷時，執行中斷處理程序，判斷B脈沖是高電平還是低電平[3]。若是高電平，則編碼器正轉，加1計數；若是低電平，則編碼器反轉，減1計數。
1.2.3電源模塊
本系統采用獨立供電模塊，220 V交流經變壓器變壓，整流電路，濾波電路，再經三端穩壓管穩壓輸出5 V和12 V。
圖4 判斷相電路
2 控制程序編制
為了達到目標任務的要求，采用了比例?積分?微分控制，即PID控制。它是一種對偏差進行的比例、積分和微分運算的控制規律，其具體的表達：
[m（t）=KP[ε（t）+1TI0tε（τ）dτ+TDdε（t）dt]] （1）
式中：[KPε（t）]為比例控制項；[KP]為比例系數；[1TI0tε（τ）dτ]為積分控制項，[1TI]為積分時間常數；[TDdε（t）dt]為微分控制端，[TD]為微分時間常數[4]。
用單片機的C語言實現PID控制規律時，需要對式（1）進行離散化，以便于單片機的計算[5]。
離散化后：
[m（t）=KPε（t）+1TI[ε（1）+ε（2）+…+ε（t）]+TD[ε（t）-ε（t-1）]] （2）
在以3 ms的采樣周期內，可得到角度偏差，代入式（2），有：
[NT1=KP?Δθi+KI（Δθ1+Δθ2+…+Δθi）+ KD×（Δθi-Δθi-1）] （3）
得到低電平的持續時間[T1]對應的中斷程序的脈沖計數[Nn]，進而求出[T1=NT1×1.09 μs]。而設計的脈沖周期時間為[T0=1 ms]的延時，那么最終輸出的電機轉速為：
[V（t）=4 000rpm×duty_ratio =4 000 rpm×（1-T1T0） =4 000 rpm（1-NT1×1.09 μs1 ms）]
利用以上算法編制PID控制程序，程序詳細流程如圖5所示，使用經驗法的調試，最終得到了PID的控制算法中的各個控制參數的數值，具體是[KP=75]，[KI=135]和[KD=75]，以保證倒立擺的穩定性[6]。
圖5 控制系統流程圖
3 結 語
通過對倒立擺控制裝置的調試，得到了較好的控制效果。系統基本達到了要求，擺桿從處于自然下垂狀態（擺角0°）開始，驅動電機帶動旋轉臂作往復旋轉使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過-60°～60°， 盡快增大擺桿的擺動幅度，直至能完成圓周運動；另外，如若外力拉起擺桿至接近165°位置時，外力撤除同時，啟動控制旋轉臂，擺桿保持倒立狀態時間不少于5 s。本裝置具有結構緊湊，電路穩定，控制程序編制靈活的特點。
參考文獻
[1] BLOCH A M， LEONARD N E， JERROLD E M. Stabilization of the pendulum on a rotor arm by the method of controlled Lagrangians [J]. IEEE Transactions on Automatic Control， 1999， 44（5）： 599?605.
[2] 彭思.基于力反饋的遠程上/下肢康復機器人研究[D].南京：東南大學，2010.
[3] 梁成江.半掛車抽偏角檢測儀的開發研究[D].青島：青島理工大學，2010.
[4] 楊叔子.機械工程控制技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.
關鍵字：定位無線技術編碼器
中圖分類號：C93文獻標識碼： A
The realization of the locomotive in the coal yard of digital positioning principle
(Qian’an Operation Department, Beijing Shougang Automation & Information Technology CO., Ltd., Qian’an 064400)
Abstract :Modern factory production process automation and digital technology is more and more rely on the support. In coal chemical industry enterprise, for example, coal is important in the production of raw materials, reasonable resource ration is to create an indispensable component of the enterprise benefit. When the original resource allocation rationalization relies too heavily on the use of production equipment specification and production personnel working experience. How to reasonable and effective allocation of resources? This will require a introduced in the production process automation and digitalization, based on the digital management of coal, for example, briefly describes how to realize the automatic positioning, how to carry on the dynamic management of the coal main equipment.
Keywords: Positioning Wireless technologyEncoder
一、堆取料機設備的特殊性
堆取料機是焦化廠生產環節中的重點設備，是煤種分類調配的主要工具。它具備兩方面工作任務：一、堆取料機負責將翻車機或卸車機卸下的煤，按照煤種種類，通過皮帶分堆堆放在煤場的指定位置上；二、堆取料機還負責將煤場上的煤，按照生產工藝要求，通過斗輪和皮帶將指定的煤運輸到配煤倉中。這就是通常所說的“堆煤”和“取煤”操作。
堆取料機的主體設備安裝在兩條鋼軌上運行，鋼軌之間就是“堆煤”和“取煤”的主皮帶。目前，一些大型的堆取料機均具備自動化控制系統，同時與皮帶系統也存在著大量的開關量連鎖，主控室一般通過控制皮帶來控制堆取料機的小皮帶和斗輪。
堆取料機的大臂是一個有固定長度可進行0-270度旋轉的鋼鐵結構，大臂通過旋轉將煤堆到指定的位置，或取指定的煤種。它的前方安裝了一個旋轉斗輪，斗輪在取煤的過程中，通過旋轉將煤取到小皮帶上，再運輸到其他地方。堆煤的過程中，斗輪不旋轉。
圖1.1 斗輪式堆取料機
綜上所述，由于堆取料機設備的特殊性，如果要對它實現動態管理，首先要實現機車行走位置的精確定位，同時還要實現斗輪位置的精確定位。確定其在堆取什么煤。從而在煤場動態管理畫面上直觀的顯示出堆取料機的運行狀態。
二、堆取料機定位的實現方式
2.1 堆取料機行走位置的實現方式
本文所介紹的堆取料機行走位置檢測采用在大車上的從動輪上安裝編碼器的方式。為確保傳輸過程中數據準確性，可以在堆取料機的行走軌跡上安裝幾對光電開關以對走行位置進行及時校正（軌道下一側安裝光電開關投光器，堆取料機上安裝光電開關受光器）。編碼器通過DP電纜，連接到PLC主站上，為了在編碼器DP網絡出現問題時不影響現有PLC系統運行，可以加裝DP主站模塊。光電開關信號通過線纜接入堆取料機的現有的自動控制系統。
2.2 堆取料機斗輪位置的實現方式
堆取料機的斗輪位置利用了幾何中最常用的公式。由于機車大臂的長度是一定的，只需直到大臂旋轉與皮帶產生的夾角，就可利用勾股定理，直接算出斗輪與皮帶的垂直距離，將所求得的距離輸出到煤場動態畫面中，就可以直觀的看到堆取料機斗輪所在的位置。
圖2.2 斗輪位置計算方式
現在我們就來解決如何測量大臂旋轉角度的問題。這里還是采用旋轉編碼器的形式，通過對機械結構的探查我們可以得知，大臂的旋轉靠的是齒輪結構，齒輪和大臂同軸，齒輪運動，隨之大臂就開始旋轉。由此我們可以利用堆取料機的齒輪機構，加裝一套從動齒輪機構，使其與大臂旋轉的主運動齒輪咬合，在后加的從動齒輪機構上安裝一臺編碼器。
圖2.3 編碼器安裝在齒輪結構外側
采用齒輪機構的安裝方式，因為齒輪隨大臂運動，編碼器的轉速不高，單是編碼器的精度決定于齒輪的咬合程度，長期使用，齒輪出現磨損，會降低編碼器的精度，這個問題可以通過定期檢查矯正回轉編碼器數值來解決。采用雙編碼器方式，實現了對堆取料機行走位置和斗輪位置的定位。
三、信號無線傳輸的實現方式
目前越來越多的無線技術應用到工廠，取代了原有的通訊電纜。使數據通訊更加穩健、可靠。涉及到本文所說的堆取料機，數據如何通訊呢？堆取料機是大型的移動設備，在之前，它的特殊性決定其數據通訊必須采用大量的拖纜和滑線。而現在的無線技術完全可以替代這些易損的設備。
一般煤場距離主控中心較遠，而且堆取料機的原有控制系統的數據都不采集到工業數據庫服務器中，且堆取料機為移動設備，距離現有工業網絡節點比較遠。因此大量采用了無線傳輸設備進行數據通信。
下面以MOXA的無線傳輸設備為例，簡述一下如何實現堆取料機的無線通訊。
為了實現堆取料機數據傳輸，在原西門子PLC系統中添加以太網模塊，以太網模塊通過赫斯曼交換機與安裝在機車司機室內的MOXA無線客戶端相連，數據通過設置在機車頂端和主控中心樓頂的天線，傳輸進主控中心的無線AP，再通過工業環網主交換機進入到工業服務器中，煤場動態管理系統通過調取工業服務器中的數據采集到堆取料機的位置信息。
由于堆取料機為移動設備，為避免通訊出現死角，無線天線必須為全向天線。中控樓為無線接收核心部分，考慮到天線損壞影響整個網絡運行，在中控樓AP基站天線架設雙冗余天線，確保設備穩定。
無線技術的應用大大降低了安裝成本和維護費用，其良好的數據通訊功能，保證了數據的連續性和準確性。
四、總結
隨著高爐對焦炭質量的要求越來越嚴格，要求焦化廠的配煤管理逐步精細，質量控制更加平穩。煤場的動態、數字化管理是擺在焦化行業面前一個尤為重要的問題。而做到煤場的動態管理，對堆取料機實現定位，是一個不可或缺的環節。本文敘述了一種成本低廉，維護簡單的實現方式，不但能滿足系統的需求，還可以擴展更多的功能。值得在行業內部進行推廣。
參考文獻：
[1] 房振發 李春雷 《PLC在堆取料機上的應用》 .2003 第11期《自動化儀表》
任務：每分鐘定位移動500次，每次不超過20um過沖。
分辨率：1um
配置：齒形皮帶（一次共振頻率為20Hz），外接直線編碼器，帶CANbus或Profibus接口的Ecostep伺服。
采用23S31電機（見圖1），ECOSTEP100驅動器，外加1um的光電直線編碼器。驅動系統的平均功耗約10W，可采用2A x 60VDC的電源。這就構成了一套經濟實用的高精度快速定位系統。
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圖1：23S31電機
23S31伺服電機通過齒形同步皮帶拖動負載，直線編碼器安裝在直線平臺上，直線編碼器輸出接ECOSTEP100的主編碼器接口(master encoder)，通過ECOSTEP100內部的編程設置，可以使伺服系統基于直線編碼器的反饋信號做位置環控制，其分辨率取決于直線編碼器的分辨率。
我們可以把這套齒形皮帶系統與傳統的絲杠系統做一個性能對比。假如同步帶輪周長為125mm，而絲杠導程為10mm，那么從圖2可以看到：當位移小于15mm時，皮帶系統會稍慢一點，但如果位移較長，那么皮帶系統會快得多。控制器最大的挑戰是解決兩個物體之間因為配合問題產生的共振，它通常會導致50ms左右的定位延遲（見圖3）。為了達到更好的性能，我們采用一個可調整的低通濾波器做前置反饋控制（feed forward control）
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圖2：定位時間與行程曲線
紅色表示125mm帶輪的皮帶系統，綠色表示10mm導程的絲杠系統
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【關鍵詞】PIC單片機；直流電機控制器
一、PIC單片機的技術優勢介紹
第一，哈佛總線結構。在設計上這一系列的單片機不僅僅沿用了哈佛體系結構，更嘗試了使用哈佛總線結構，這為其在流水作業中各項指令可以更好地執行提供了技術保障；第二，在尋址方式上，其他類型的單片機尋址方式往往在五種以上，這樣的優勢就是尋找操作數更加方便；第三，在代碼壓縮率上，PIC系列單片機能夠存放的指令多達一千余條，遠遠超過其他類型的單片機.在節省程序存儲空間上，優勢更加明顯，PIC單片機在引腳上更少，功能更為強大。除此之外，其能夠直接帶動LED負載以及結構簡單、抗干擾能力強等方面的優勢。
二、單片機的直流電機的型號以及特點
考察到系統技術的實際情況，此次研究所使用的直流電機選擇為maxon集團所生產的高精密電機，型號為A-max32 32rnrn，石墨電刷，其各項性能如表1所示：
三、基于PIC單片機技術的直流電機控制器設計與應用
（一）PIC單片機直流電機控制器系統結構介紹
在直流電機多速控制器系統中，PIC單片機扮演的是整個系統控制核心的角色，利用鍵盤對每一段的運行參數，諸如鍵盤輸入電路、電源電路、基準電壓電路、D/A轉換電路、顯示電路等進行設計，此次研究中使用數字MR編碼器，型號為L，分辨率為1024。由于在實際運行中單片機I/O口的限制，額外增加了硬件確保對于運行過程中的段位進行顯示，同時在設定時間、轉速以及實際測量轉速上做到有效的干預。該系統運用RS-232串行通信，波特率設定在192000bps，系統的構成方式為4*4行列式鍵盤，其中包括數字鍵為0～9、設置鍵、確認鍵等等。
（二）基于PIC單片機技術的直流電機控制器的實際應用
基于PIC單片機技術的直流電機控制器要想順利的運行主要包括PIC單片機控制程序以及上位機的參數設置程序兩大部分。其中，單片機程序主要包括主程序以及功能鍵處理程序，實際運行過程中點擊顯示程序和對鍵盤參數進行設計的程序，對運行中轉速進行測量的程序等部分。在直流電機多速控制器系統中，PIC單片機扮演的是整個系統控制核心的角色，利用鍵盤對每一段的運行參數，諸如鍵盤輸入電路、電源電路、基準電壓電路，D/A轉換電路、顯示電路等進行設計。在實際應用中也能夠借助電腦設置，將各項參數下載到單片機，系統運行中單片機首先對二進制的控制量進行輸出，通過D/A轉換電路順利的實現將對應模擬電壓輸送直至直流伺服放大器中預先設定值的輸入端。完成該步操作之后，伺服放大器依照輸入的模擬電壓情況，開始與之相對應的電壓輸出，以此實現對直流電機轉速的控制，并在此基礎上完成對直流電機同軸的光電編碼器的檢測，從而進行轉速測量，確保在實際運行中各樣數據能夠被及時有效的檢測，提高直流電機控制器的運作質量。有了以上的結構作保證，整個系統就可以保證順利、科學的實現功能的有效應用。
在本系統之中所采用的伺服放大器電源需要控制在25V，運算放大器型號為OP-07士15V，D/A轉換器中芯片型號為AD7545，需要控制在15V，其中PIC單片機、數碼管驅動以及顯示電源全部需要將電壓加5V。鑒于本系統進行工作的客觀情況，此次研究采用直接從市場上購買的開關電源就可以達到實驗預定的要求。在轉速進行實際調節的過程中，主要依靠D/A轉換電路進行，在本系統中PIC單片機負責對PORTB進行轉速輸出，控制量保持在低八位，PORTA則負責對低四位的轉速進行輸出，控制方式為高四位控制量。該系統采用的是12位二進制，一旦將轉速控制量進行輸出轉進入到D/A轉換器中，芯片為AD7545將直接進行工作，其在經歷兩極運算放大器處理之后，最終能夠輸出工作中預先設定的模擬量，并將其加到伺服放大器之中。在本系統之中，電容負責向其他的構成部分進行電路補償的提供，進行電壓轉換工作之后，操作人員需要對此次調節之后的速度進行測量，驗證其能否滿足事先預定的轉換標準。位置測量元件作為整個閉環控制系統中處于舉足輕重的構成部分，它的重要性體現在對位移，也就是角位移動或者是線位移動的檢測上，完成檢測工作之后及時的向操作人員發出反饋信號。一個結構完善的閉環伺服系統中，影響其定位精度情況以及測量精度的決定性因素，主要是受到測量元件控制的，因此必須保證測量元件質量。光電編碼器作為現今條件下伺服系統中不可或缺的一種專門進行數字式速度以及位置測量的元件，在光電編碼器中，增量式光電編碼器主要包括光源、光電轉盤以及光敏元件和光電整形放大電路四大重要部分組成，在進行速度測量的時候，將光電轉盤和需要被測量的軸聯接，光源則利用光電轉盤的透光孔最終順利地射到光敏元件上，一旦轉盤進行旋轉，光敏元件就會對外發出和轉速形成正比的脈沖信號。本系統中光電編碼器分成兩路電路，即A相、B相進行輸出，相隔T/4脈沖周期，方式為正交脈沖，具體工作時候，假如轉盤沿著順時針轉，那么A相相對于B相就更為靠前，假如出現逆時針轉，那么B相則超過A相。
利用邏輯表達，則為：
基于PIC單片機技術的直流電機控制器系統運行框架如下：首先進行開機初始化，該步驟完成后，利用鍵盤進行子程序掃描，檢查鍵按下情況，沒有出現按鍵按下則繼續進行掃描，該過程中主機是處于待機狀態的，倘若出現按鍵按下則會進行延時等待，等待時間為100Ms，之后再檢查及是否位于閉合狀態，一旦處于閉合狀態，那么操作系統將直接調用按鍵，進行子程序鍵值確認，判斷是設置鍵進入到了鍵盤設置的參數程序，還是運行鍵進入到了電機的運行程序，還是下載鍵進入到了參數下載的程序中，在進行檢測的過程中，系統中其他的鍵值是需要返回進入待機狀態的。在上位機界面中，由于進行人機界面的設計，對于電機轉速的參數能夠進行及時的設置以及串行通信。
進行轉換的過程中，PIC單片機PORT B對外輸出的轉速控制量為低八位，PORTA的低四位輸出轉速的高四位控制量”12位，二進制轉速控制量輸入到D/A轉換芯片AD7545，經過兩極運算放大器最終輸出的模擬量加到伺服放大器設定值輸入端。
四、結論
鑒于直流電機運行環境較差、遭遇干擾情況頻繁的現實，在進行PIC單片機直流電機控制器的設置過程中，無論是在硬件還是在軟件方面都有效的進行了改善，這對于提高電機控制器的可靠性與實用性都是有著十分積極作用的。
參考文獻
[1]李翔宇，周浚哲.基于軟件鎖相環直流電機轉速控制算法的研究及實現[J].沈陽理工大學學報，2010（06）：102-103.
